探究氢氧燃料电池电极反应机理准确写其电极反应式

　　摘要：氢氧燃料电池是高中化学中需要学习的最基础燃料电池，通过学习书写氢氧燃料电池中酸性环境(稀H2SO4溶液作电解质溶液)、碱性环境(KOH溶液作为电解质溶液)、熔融金属氧化物(可以传导O2-)、熔融的碳酸盐四种环境中的正极和负极的电极反应式，可以建立起一种基础燃料电池电极反应式书写的思维模型，以致能够快速、准确的书写燃料电池电极反应式。

　　关键词：高中化学;思维建模;基元反应;燃料电池

　　燃料电池电极反应的书写因为环境的不同，所涉及的基元反应不同，结果也就不一样，但如果按照基元反应发生的先后顺序一步一步的书写，最后把这几个基元反应合起来，得到的最终反应式，就是该电极的电极反应式。即按反应先后顺序①A→B;②B→C;③C→D……,而①+②+③+……可得到最终反应式，该最终反应式就是该电极的电极反应式。利用这种方法可以较为快速和准确的书写燃料电池的电极反应式，可以更好的理解和掌握基础燃料电池的反应机理。

　　高中化学氢氧燃料电池常涉及酸性环境(稀H2SO4溶液作电解质溶液)、碱性环境(KOH溶液作为电解质溶液)、熔融金属氧化物(可以传导O2-)环境、熔融的碳酸盐(如熔融K2CO3)环境等四种反应环境。氢氧燃料电池是高中化学中最基础燃料电池。通过氢氧燃料电池电极反应式的书写，可以建立起燃料电池电极反应式书写的思维模型。

　　一、酸性环境(稀H2SO4溶液)

　　燃料电池的中输入燃料的电极是负极，被氧化的物质当然是燃料本身，氢氧燃料电池中，负极发生反应的第一步应为：H2-2e-=2H+ ，然后利用产物H+进一步思考下一步的反应，但H+在酸性体系中不能和其它物质反应，所以，酸性环境下氢氧燃料电池的负极电极反应式书写为：H2-2e-=2H+。

　　而通入氧气的电极为电池的正极，正极的氧气被还原。第一步反应为O2+4e-=2O2- ，而O2-在酸性体系中(水溶液体系)不能独立存在，会继续和H+反应即O2-+H+=OH-，生成的OH-接着能继续和溶液中的H+发生OH-+H+=2H2O反应，生成的H2O在这个体系中可以大量存在，不能和其它物质反应，达到链式反应的终点，这时把前面的几个基元反应相加得：

　　相加得到的反应式O2+4e-+4H+=2H2O就是氢氧燃料电池在酸性环境中的正极电极反应式。所以在酸性环境中，氢氧燃料电池的电极反应式如下：

　　负极的电极反应式为：2H2-4e-=4H+;

　　正极的电极反应式为：O2+4e-+4H+=2H2O;

　　原电池总反应为：2H2+O2=2H2O。

　　二、碱性环境(稀KOH溶液)

　　负极发生反应的第一步为H2-2e-=2H+ ，H+在碱性体系中继续和OH-反应：OH-+H+=2H2O，而H2O在这个体系中可以大量存在，不能和其它物质反应，这时把前面的几个基元反应相加得：

　　所以H2-2e-+2OH-=2H2O是氢氧燃料电池碱性环境下的负极电极反应式。

　　正极反应发生的第一步为O2+4e-=2O2- ，O2-在酸性体系中(水溶液体系)不能独立存在，会继续和H+反应，而碱性环境中的H+是由水电离出来的，因为水是弱电解质，所以反应式为O2-+H2O =2OH-，而OH-在碱性体系中可以大量存在，不能和其它物质反应，反应式就写到此，这时把前面的几个基元反应相加得：

　　而O2+4e-+2H2O=4OH-就是氢氧燃料电池在酸性环境中的正极电极反应式。所以在碱性环境中，氢氧燃料电池的电极反应式如下：

　　负极的电极反应式为：2H2-4e-+4OH-=4H2O;

　　正极的电极反应式为：O2+4e-+2H2O=4OH-;

　　原电池总反应为：2H2+O2=2H2O。

　　三、熔融金属氧化物作介质(能传导O2-)

　　该环境下的正极反应比较容易写，并且在书写负极电极反应式时需要结合正极反应转移的电子，按电子守恒来写较容易理解，所以先将书写的正极电极反应式。燃料电池正极上氧气发生还原反应，第一步反应为：O2+4e-=2O2- ，而O2-熔融金属氧化物介质中能独立存在，不能和其它物质反应，所以O2+4e-=2O2- 就是氢氧燃料电池在熔融金属氧化物介质中的正极电极反应式。

　　若正极有1mol氧气被还原生成2molO2-，要转移4mole-，根据电子守恒，负极就应该有2molH2被氧化，同时产生4molH+。在该环境下，负极发生反应的第一步为2H2-4e-=4H+ ，而H+在熔融金属氧化物作介质中继续与O2-反应即2H++2O2-=2OH-，而OH-再与剩余的2mol H+反应生成2molH2O，水不会再继续往下反应，达到链式反应的终点，这时把前面的几个基元反应相加得：

　　所得反应2H2-4e-+2O2-=2H2O是氢氧燃料在熔融金属氧化物介质中的负极电极反应式。所以在熔融金属氧化物作介质环境中，氢氧燃料电池的电极反应式如下：

　　负极的电极反应式为：2H

　　2-4e-+2O2-=2H2O;

　　正极的电极反应式为：O2+4e-=2O2-;

　　原电池总反应为：2H2+O2=2H2O。

　　四、熔融碳酸盐作介质

　　在熔融碳酸盐作介质中，考虑到正极若有1mol O2参与反应，则要转移4mole-，根据电子守恒关系，则负极发生的第一步反应为：2H2-4e-=4H+，而H+接着和介质中的CO32-反应即4H++2CO32-=2H2O+CO2↑，该反应式的产物H2O和CO2都不再与体系中的其它物质反应，达到链式反应的终点，将这两个反应式相加得：

　　就可以得到负极的电极反应式为：2H2-4e-+2CO32-=2H2O+2CO2。通常情况下，正极区通入的气体为CO2和O2混合气体。正极反应发生的第一步为O2+4e-=2O2- ，产生的O2-又和CO2发生反应生成CO32-，即2O2-+2CO2=2CO32-。在正极区域，因电解质为熔融碳酸盐，CO32-能独立存在，反应式不能继续往下写，将这两个反应式相加得：

　　反应式O2+4e-+2CO2=2CO32-就是氢氧燃料电池在熔融碳酸盐介质中的正极电极反应式。所以在熔融碳酸盐作介质环境中，氢氧燃料电池的电极反应式如下：

　　负极的电极反应式为：2H2-4e-+2CO32-=2H2O+2CO2;

　　正极的电极反应式为：O2+4e-+2CO2=2CO32-;

　　原电池总反应为：2H2+O2=2H2O。

　　能源论文范例：电池性能分析论文发表的期刊

　　通过以上探究氢氧燃料电池的四种环境中电极反应的机理，可以快速啊准确的书写燃料电池的电极反应式，同时，可以构建一种书写燃料电池的电极反应式思维模式，这种模式同样可以运用于其它基础燃料电池的电极反应式的书写，如甲烷、氧气燃料电池，甲醇、氧气燃料电池等。

　　参考文献

　　[1]黄卓等.质子交换膜燃料电池的研究开发和应用[M]. 冶金工业出版社，北京：2002 48～52，106～114

　　作者：廖逢聪